2013년 국제식량농업기구 (FAO)에서는 곤충을 대체 식과 동물사료 첨가물 로서 잠재력을 높이 평가하여 미래식량자원 으로 지정하였다(Azizi et al., 2010;Van Huis et al., 2013). 곤 충은 가축 사육에 비해 적은 양의 온실가스 및 암모니아를 생성 하며, 쇠고기와 비슷한 영양학적 가치를 가지고 있으며 지구온 난화, 대기, 수질오염과 같은 환경문제와 세계인구의 증가로 곤 충을 단백질 대체식품 및 동물사료로의 이용이 지속적으로 논 의되고 있다(Durst et al., 2010;Nishide et al., 2017a;Oonincx et al., 2010;Ramos-Elorduy et al., 2011;Van Huis, 2010).

풀무치 (Locusta migratoria (L.)) (메뚜기목: 메뚜기과)는 열 대지역부터 한대 지역 즉, 아프리카, 남 아라비안 반도, 파키스 탄, 인도, 동남아시아, 동북아시아, 오세아니아까지 광범위하 게 존재하며(Chen 1999;Farrow and Colless, 1980;Uvarov, 1977), 밀도에 따라 행동적, 형태적, 생리적 특성에서 변화를 보 이는 ‘다현현상(polyphenism)’을 보인다(Pener, 1991;Uvarov, 1966, 1977). 크기는 보통 4-6 cm 정도로 메뚜기과에서도 크기 가 큰 불완전변태 곤충에 속하며 단백질 원 공급원으로서 사람 이 섭취할 수 있거나 동물사료용으로 이용될 수 있는 식용곤충 자원으로 알려져 있다(Mekonnen and Hoekstra, 2011;Uvarov 1966). 풀무치(L. migratoria)의 화성(세대수/년)은 냉, 온대지 역에서 1화성, 온대지역에서는 2 ~ 3화성, 아열대 및 열대지역 에서는 다화성으로 지리적인 개체군에 따라 다양하다(Shimizu and Masaki, 1997;Tanaka, 1992, 2017). 따라서 풀무치의 부화 시기는 다양한 지리적 집단 또는 동일한 지역에서 다른 세대간 에 다양하다.

풀무치의 난소는 두개로 되어있고 난소소관 수는 비대칭적 으로 령(나이)에 따라 증가하고(Phipps, 1950), 무영양실형 난 소소관(Panoistic ovariole)의 생리적 기관으로 영양세포가 없 다. 단지 한 줄의 여포가 존재하고 난모세포는 여포의 상피세포 를 통하여 혈림프로부터 영양분을 얻는다(Gullan and Cranston, 2017). 풀무치 암컷 성충의 난소 발육은 필수적으로 알라타체 (Corpora allata, CA)에 의존하며(Minks and Hoffman, 1975), CA 호르몬의 역할은 지방체(Fat body)로부터 난황 단백질 (Vitellogenic protein)의 합성과 방출을 자극하고 난소의 난포 세포에 있는 막 수용기(membrane receptor)에 결합한다(Bar- Zev et al., 1975;Sevala et al., 1995). 풀무치는 난괴(알덩어리) 로 산란을 하며 종종 일시에 부화를 한다(Colbert et al., 2010). 특히 사막메뚜기(Schistocera gregaria)의 경우, 난괴로 있는 알은 분리된 알보다 더 동시 부화하며(Nishide et al., 2017a), 풀 무치(L. migratoria) 역시 같은 경향을 보인다(Chen, 1999). 일 시에 부화하는 특성은 온도, 습도, 광 주기 등에 영향을 받으며 (Nishide et al., 2017a), 난괴에서 0.5 ~ 2.5 시간 내에 부화가 된 다(Chen, 1999;Nishide et al, 2017b). 풀무치와 같이 난괴로 산 란하는 곤충의 경우, 일시 부화는 침략자들의 공격이 될 수 있 는 시간 간격과 동종포식을 줄일 뿐 만 아니라 갓 부화한 약충 이 난괴에서 탈출, 집단 형성을 돕거나 그룹으로 먹이를 먹을 수 있도록 한다(Sakamoto et al., 2019). 풀무치 알의 부화 시기 는 서식 및 환경 조건에서도 차이가 나타나며 배아(embryogenic) 휴면은 불리한 계절에 부화를 피하기 위하여 배자 발육을 조절 하는데 중요한 역할을 한다(Tauber et al., 1986).

이와 같이 풀무치의 난소 특성과 알의 부화에 관한 연구는 있지만, 풀무치의 체중과 발육단계 별 난소, 난소소관, 수정낭 등 난소 발육과 알에 대한 연구결과는 알려진 바가 없다. 따라 서, 본 연구에서는 풀무치의 식용으로서 새로운 자원 활용도가 증가됨에 따라 풀무치 산란성과 알의 부화율을 높이기 위하여 발육 단계 별 난소의 발육과 알의 특성을 조사하였다.

재료 및 방법

실험 곤충 및 사육

실험 곤충은 국립농업과학원 농업생물부 곤충산업과에서 실내 계대사육한 7세대 풀무치(L. migratoria)와 난괴(알덩어 리)를 사용하였다. 실험 곤충의 사육 환경은 온도 30 ± 1°C, 습 도 60 ± 5% R.H., 광조건 9L/15D, 조도 1,000 lux이상으로 하 였다. 1 ~ 4령 약충은 22 × 22 × 32 cm의 4면이 철망으로 환기 가 잘 될 수 있도록 제작된 사육상자에, 5령 약충과 성충은 55 × 45 × 65 cm의 사육상자에 20마리 정도 넣고 사육을 하였다. 먹 이는 포토에 심긴 밀을 주기적으로 공급하였다.

난소 발육조사

발육 단계별 풀무치의 난소 발육 특성을 조사하기 위하여, 교미하지 않은 암컷 약충 5령 1일부터 성충 35일까지 5일 간격 으로 체중과 난소 발육 특성을 조사하였다. 실험곤충수는 시험 구 별로 5마리로 하였다. 체중은 실험 곤충을 탄산가스로 잠시 마취시켜 움직임이 없는 상태에서 조사일의 오전 10시에 디지 털 저울(OHAUS)을 이용하여 측정하였다. 난소 발육 특성 조 사를 위해서 실험 곤충은 생리식염수(Phosphate Buffered Saline, PBS)를 사용하여 발육단계별로 해부하였다. 해부한 실험 곤충 을 현미경(Leica, LED2500)으로 관찰 후 사진을 찍은 다음, 난 소 및 난소소관 길이, 난소소관 수, 난소소관 내 성숙란수, 수정 낭 크기 등을 조사하였다. 길이 측정은 길이 측정 프로그램(T Capture, version 4.3.0.602 beta 2, tuxsen)을 사용하였다.

알 특성조사

풀무치 알의 특성을 알아보기 위해서 산란된 몇 개의 난괴를 온도 33°C, 습도 65% R.H., 광조건 9L/15D, 조도 3,500 lux 조 건의 인큐베이터(항온항습기)에 두고 필요할 때, 일정량의 난 괴를 떼낸 다음, 난괴에서 알을 각각 분리한 다음 에서 산란 1일 부터 10일동안 매일 알의 체중과 발육 특성을 조사하였다. 실험 곤충의 알수는 시험구 별로 20개로 하였다. 체중은 20개의 알 을 한꺼번에 측정해서 20으로 나누어서 평균 체중으로 계산하 였다. 알의 크기는 단경과 장경으로 구분하여 20개 각각을 조사 하였다. 현미경(Leica, LED2500)으로 관찰 후 알의 단경과 장 경 사진을 찍은 다음 크기를 측정하였고, 외부 형태를 사진으로 찍었다. 또한 일별로 알을 해부하여 내부 형태를 관찰하였다.

통계분석

본 실험의 통계 분석은 SPSS PASW 22.0 for windows 통계 패키지(IBM, Chicago, USA)를 이용하여 one-way ANOVA test (post Hoc: Tukey’s HSD)로 통계 분석하였다.

결과 및 고찰

풀무치의 체중과 난소 발육 특성

발육단계별 풀무치 체중

실내에서 사육된 풀무치 암컷 약충 5령 1일부터 5일 간격으 로 성충 35일까지 발육단계 별 체중을 조사하였다. 암컷 5령 약 충 시기의 체중은 5령 1일(0.3 ± 0.1 g)보다 5령 3일(0.6 ± 0.2 g) 과 5일(0.8 ± 0.1 g)으로 1.9 ~ 2.5배 증가하였다(Fig. 1). 성충 시 기의 체중은 성충 1일째가 1.0 ± 0.1 g으로 5령 1일째 약충보다 3.2배나 증가하였다. 성충 10일(1.4 ± 0.2 g)부터 지속적으로 증 가하여 성충 25일에는 1.9 ± 0.2 g으로 성충 1일째보다 약 2배 증가하였다. 그러나 성충 30일부터 감소하여 성충 35일째에는 1.5 ± 0.3 g이었다(Fig. 1). 풀무치의 체중은 발육단계별로 통계 적으로 고도의 유의성이 인정되었다(one-way ANOVA test: F_10,42 = 26.873, p = 0.0001).

풀무치의 난소 및 난소소관

풀무치의 산란에 주요 역할을 하는 난소 발육 특성을 조사하 기 위하여 암컷 약충 5령 1일부터 35일까지 풀무치의 난소와 난소소관 수 및 길이 등을 조사하였다. 성충 풀무치는 좌우 1쌍 의 난소를 가지고 있었고(Figs. 2A and 2B), 발육시기에 따라 다소 차이는 있었지만 좌, 우 난소 총 90개 이상의 난소소관을 가지고 있었다(Figs. 2B and 3). 발육단계별 난소소관수를 조사 한 하기 위하여 5령 약충부터 성충 35일까지 조사하였으나, 성 충 10일전까지는 난소발육이 늦어 난소에서 난소소관을 분리 하기 어려워 난소소관이 분리되는 성충 10일부터 35일까지 조 사하였다(Figs. 2C and 3). 그 결과, 난소소관 수는 좌 45.7 ~ 52.4개, 우 46.7 ~ 52.4개로 좌우 다소 대칭적이었다. 성충 10일 (100.2개, 좌우 50.1 ± 4.8개)부터 25일(94.8개, 좌우 47.4 ± 5.7 개)까지는 난소소관 수가 다소 감소하다가 성충 30일에 104.8 개(좌우 52.4 ± 3.5개)로 증가하였고, 성충 35일에 다시 감소하 여 난소소관 수는 92.4개(좌우 46.2 ± 5.1개)이었다. 성충 10일 부터 35일까지의 난소소관 수는 92.4 ~ 104.8개로 조사되었으 나, 통계적으로 유의성은 없었다(F_5,22 = 0.740, p = 0.602). 발육 시기별로 난소소관 수는 차이가 없었지만 성충 30일째 증가하 는 것에 대해서는 정확한 실험이 필요하다고 생각된다. 난소소 관 수는 체중이 성충 10일경에 확인되기 시작하여 성충 35일에 난소소관 수가 감소하여 체중 및 난소소관 수와는 비례적인 상 관관계가 있음을 확인하였다.

풀무치의 난소는 두개로 되어있고 난소소관 수는 비대칭적 으로 령(나이)에 따라 증가하고(Phipps, 1950), 50 ~ 100개의 난소소관을 가지고 있다고 보고하였다(Lange, 2009;Phipps, 1950). 풀무치의 난소소관은 무영양실형 난소소관의 생리적 기관으로 영양세포가 없으며, 단지 한 줄의 여포가 존재하고 난 모세포는 여포의 상피세포를 통하여 혈림프로부터 영양분을 얻는다고 보고하였다(Gullan and Cranton, 2017). 또한 풀무치 의 난소소관의 수는 먹이에 따라서도 차이가 나타나며, 상추, 순무, 발아 옥수수, 이 세 가지 식물을 합쳐진 먹이를 먹였을 때 상추를 먹인 풀무치의 난소소관의 수가 가장 증가한다고 보고 된 바 있다(Azizi et al., 2010). 이번 연구에서는 밀을 먹이로 사 용하여 실험한 결과, 최대 104.8개의 난소소관 수를 보여 먹이 에 따라서 난소소관의 수와 난소 발달에 다소 영향을 미칠 수 있을 것으로 생각된다.

발육단계별 풀무치의 난소 및 난소소관 길이를 조사하였다 (Fig. 4). 풀무치의 난소 길이는 5령 1일 약충(2.4 ± 0.5 mm)보 다 5령 5일이 5.7 ± 1.1 mm로 1.4배 길었다. 성충 1일째는 5.9 ± 0.1mm 으로 5령 1일째 약충보다 2.5배 길었다. 성충 10일째 (10.6 ± 2.7 mm)부터 급격히 길어져 성충 30일에는 15.5 ± 2.1 mm으로 성충 1일째보다 약 2.6배나 길었다. 하지만 성충 35일 째에는 10.6 ± 0.5 mm로 짧아졌으며, 발육단계별로 난소길이 는 상당히 영향을 받는 것으로 나타났다(F_10,13.799 = 53.499, p = 0.0001). 발육단계별 난소소관 길이를 조사한 결과 (Fig. 4), 난 소 길이와 같은 경향을 보였다. 즉 난소소관 길이도 성충 10일 째(5.5 ± 1.9 mm)부터 유의적으로 증가하였고, 성충 15일부터 35일까지 7.7 ~ 8.1 mm 로 증가하다가 성충 35일째에 7.4 ± 1.1 mm로 짧아져 통계적으로 차이가 있었다(F_10,14.162 = 61.542, p = 0.0001). 난소소관 길이는 난소 길이보다 1.5 ~ 3.2배 짧았다.

암컷 성충의 난소 발육은 알라타체(Corpora allata, CA)에 의존하며, 알라타체에서 생성되는 유약 호르몬(Juvenile hormone, JH)은 지방체에서 난황단백질의 생성을 자극한다(Davey, 1985;Riddiford, 2012;Sevala et al., 1995;Wyatt et al., 1996). 난소 성장과 성숙에는 유약 호르몬 수용체 Met이 필수적이라 고 보고하였다(Davey et al., 1993;Gijbels et al., 2019). 유약 호 르몬과 난황단백질 유전자 전사 활성화가 풀무치의 발육시기 별 난소 발육에 영향을 미칠 것으로 사료되나 이에 대한 연구가 더 필요할 것으로 생각된다.

난소소관 내 성숙란 수 및 수정낭

난소 발육 상태를 확인하기위한 하나의 요인으로 난소소관 내 풀무치의 성숙란 수를 조사한 결과, Fig. 5에서 보는 바와 같 이 성숙란 수는 성충 15일째부터 확인할 수 있었다. 성충 15일 부터 35일까지 난소소관 당 좌 성숙란 수는 12.6 ~ 26.4개, 우 성숙란 수는 13.6 ~ 24.2개이었다. 성충 15일째는 좌우 평균 14.2 ± 13.33개이었고, 성충 30일째가 25.3 ± 12.3개로 가장 많 았고, 35일째는 15.3 ± 15.9개로 감소하였다. 하지만 성숙란 수 의 심한 편차로 성충일 수에 따른 성숙란 수는 차이가 없었다 (F_4,18 = 0.449, p = 0.771).

교미 후 알의 수정이 될 때까지 정자를 저장하는 기능을 하 는 암컷 생식기관 중 하나인 수정낭도 생식활동에 큰 기능을 갖 는다(Lange and da Silva, 2007). 이에 발육시기별로 수정낭의 크기를 조사한 결과(Fig. 6), 풀무치의 저장낭은 길이로 비교해 볼 때, 장경이 단경보다 2.0 ~ 3.1배 큰 장타원형태로 5령 1일 약 충(단경 × 장경 0.2 × 0.7 mm)보다 5령 5일이 0.6 × 1.4 mm로 2.1 ~ 2.7배나 컸다. 하지만 성충시기에는 5령 약충시기보다 큰 차이가 없었다. 성충 30일째의 장경이 2.3 mm로 가장 컸고, 단 경은 성충 25일째에 1.1 mm로 유의적으로 증가하였다. 그리나 성충 35일째는 난소소관 수, 난소소관 당 성숙란 수 등과 같은 경향으로 저장낭 크기는 적어졌다. 발육시기별로 저장낭의 크 기는 고도의 유의성이 인정되었다(장경 F_{10, 15.802} = 171.055, p = 0.0001; 단경 F_{10, 15.286} = 167.250, p = 0.0001).

이상의 풀무치의 발육단계별 난소소관 수, 난소 및 난소소관 길이 등으로 볼 때, 풀무치의 난소는 성충 10일째부터 발달하여 성충 30일째에 정점에 도달하고, 35일후부터는 감소하는 것을 알 수 있다. 발육단계별 풀무치의 난소발육과 체중을 비교분석 한 결과, 풀무치 체중의 유의적인 증가에 따라 난소소관 수와 난소 및 난소소관 길이도 증가하였고, 성충 35일에 충 무게가 감소할 때 난소소관 수 등이 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 발육단계별 풀무치 체중과 난소발육은 비례적인 상관관계가 있다는 것을 알 수 있었다. 본 실험에서는 발육단계별 난소발육 실험을 미교미 암컷을 대상으로 실험한 것이기 때문에 교미한 암컷을 실험곤충을 대상으로 하면 난소발육시기가 다소 차이 가 있을 것으로 생각되어 추후에 교미 및 미교미 암컷의 발육단 계별 난소발육실험이 필요하다고 생각된다.

풀무치 알의 특성

풀무치는 산란 구멍에 50~100개의 알이 들어있는 난괴(Fig. 7)로 산란한다(Kennedy, 1949;Vincent, 1975). 산란이 진행됨 에 따라 정자는 난자와의 수정을 위해 수정낭에서 정자관 아래 로 이동되며 생식기 내 미세소관에서 수정되어 알이 배출된다 (Clark and Lange, 2001;Lange, 1992;Van Huis et al., 2013). 이러한 과정을 거치는 난괴로 산란되는 풀무치 알의 특성을 알 아보기 위하여 일정량의 난괴를 뗀 후, 난괴에서 알을 각각 분 리한 다음, 온도 33°C, 습도 65% R.H., 광조건 9L/15D, 조도 3,500 lux의 사육환경에서 산란 1일부터 10일까지 알의 체중과 발육 특성을 조사하였다(Fig. 8). 풀무치 알의 체중은 산란 1일 (6.1 mg)부터 3일(6.3 mg)까지는 거의 변화가 없다가 산란 4일 째에 7.8 mg으로 1.3배 증가하였다. 그 후 산란 7일(10.5 mg, 1.8배)까지 증가하다가 10일까지는 체중 증가 폭이 아주 적었 다(Fig. 8A). 알의 단경과 장경도 체중과 같은 경향을 보여 산란 4일째부터 6~7일 째까지 증가하고 그 후부터는 거의 변화가 적 었다(Figs. 8B and 8C). 빠른 개체는 산란 9일째에 부화하는 것 도 있었다. 풀무치 알의 단경과 장경은 산란일수에 크게 영향을 받았다(단경 F_8,68.789 = 200.841, p = 0.0001; 장경 F_8,69.502 = 25.877, p = 0.0001).

산란 1일부터 10일까지 난괴에서 분리된 알의 외부 및 내부 형태 변화를 Table 1에 나타내었다. 풀무치의 알은 단경보다 장 경이 4.0 ~ 4.6배 긴 장타원형으로 짙은 나무색에서 산란일 수 가 경과함에 따라 밝은 나무색으로 변하였다. 체중 및 단경, 장 경이 증가하는 산란 4일째에 알이 다소 통통한 것을 확인할 수 있었고, 7일 후부터는 알의 외부형태보다 색이 밝아지는 경향 이었다.

산란 1일부터 10일까지 분리된 알의 내부 형태 변화를 조사 한 결과(Table 1), 산란 4일까지는 난황단백질의 형태가 크게 변화가 없었으나, 6일부터 난황단백질부분이 덩어리로 뭉치기 시작하였다. 산란 7일째에는 진한색으로 눈이 형성된 것이 보 이며, 몸체를 구분할 수 이었고, 8일째에는 난황부분이 많이 줄 어들고, 다리도 볼 수 있다. 산란 9일째에는 풀무치 약충과 유사 한 형태를 갖추었지만 외골격이 경화되지 않아서 마디의 구분 이 없는 반면에 산란 10일째는 풀무치 약충 형태로 뚜렷이 구별 될 뿐 만 아니라 외골격도 경화되어서 다리의 마디 구분이 명확 해진다. 빠른 개체는 산란 9 ~ 10일에 부화한 것이 관찰되었다.

풀무치는 난괴로 산란을 하며, 난괴로 있는 알은 분리된 알 보다 더 일시에 부화를 하며(Chen, 1999), 개개로 분리된 알들 은 부화가 더 늦고 오랜 시간에 걸쳐 부화하고, 인접한 알들로 부터 얻은 정보에 의해 부화 시간이 조절된다고 보고하였다 (Tanaka, 2017). 또한 일시에 부화하는 특성은 온도, 습도, 광 주기 등에 영향을 받으며(Arai, 1977;Nishide et al., 2017a, 2017b), 풀무치의 알은 20°C에서는 휴면기에 들어가나 25 ~ 30°C에서는 들어가지 않으며 특히 광 주기가 휴면기에 많은 영 향을 준다고 보고하였다(Yamagishi and Tanaka, 2009).

본 실험에서는 일정량의 난괴를 떼낸 후, 난괴에서 알을 각 각 분리한 다음, 온도 33°C, 습도 65% R.H., 광조건 9L/15D, 조 도 3,500 lux의 사육환경에서 실험한 결과, 거의 산란 10일안에 부화하는 결과를 얻었다. 만약에 난괴 자체로 부화를 하였다면 개개로 분리된 알들보다 부화 기간이 짧아진다는 보고(Chen, 1999;Tanaka, 2017)에 따라 추후 이에 대한 실험도 필요하다 고 생각된다.

이상의 본 연구에서는 풀무치의 5령 약충시기부터 성충 35 일까지의 체중, 난소 길이, 난소소관 및 성숙란 수, 수정낭 크기 등 단계별 난소 발육과 알의 발육 특성을 조사하였다. 그 결과, 풀무치의 난소, 난소소관의 크기는 풀무치 5령 약충시기부터 성충 30일까지 체중과 비례하게 증가됨을 확인하였다. 특히 체 중이 가장 증가된 성충 15 ~ 30일경의 난소소관의 수, 난소 및 난소소관 길이 성숙란 수등이 증가하였다. 성충 35일부터 체중 및 난소, 난소소관의 크기 등이 유의적으로 감소되어 성충 35일 부터는 산란성이 감소될 것이라고 판단할 수 있었다. 또한 알의 발육특성을 조사한 결과, 알의 체중은 산란 7일째에 73.4%로 최대로 증가하였고, 알의 장경과 단경은 산란 6 ~ 7일째에 가장 증가하였다. 결론적으로, 실내 사육환경에서 풀무치의 난소발 육 시기 및 산란 가능 시기들을 밝힘으로써 산란율을 향상시키 고, 발육단계별 알의 특성을 규명함으로서 풀무치 부화율을 증 가시킬 수 있을 것으로 판단된다.